CN114487006A

CN114487006A - 一种多功能热工加热平台

Info

Publication number: CN114487006A
Application number: CN202210060432.6A
Authority: CN
Inventors: 童剑飞; 陆友莲; 杨巍; 尉盛强; 梁天骄; 孙鹏
Original assignee: Institute of High Energy Physics of CAS; Spallation Neutron Source Science Center
Current assignee: Institute of High Energy Physics of CAS; Spallation Neutron Source Science Center
Priority date: 2022-01-19
Filing date: 2022-01-19
Publication date: 2022-05-13

Abstract

本发明公开的一种多功能热工加热平台，其包括加热系统、测量系统、泵功系统、流量测量系统和水箱恒温系统；加热系统分别与流量测量系统和水箱恒温系统相通连接；泵功系统分别与流量测量系统和水箱恒温系统相通连接；测量系统设置在加热系统的外侧；加热系统包括实验腔、实验件和加热器；实验件设置在实验腔的内部，且实验件分别与流量测量系统和水箱恒温系统相通连接；实验腔上设置有调压管道；测量系统设置在实验腔的外侧。本发明的加热系统实现了试验件加热密度从瓦级至兆瓦级的稳定加热功率的热工实验要求，提供了不同环境压力的测量条件，也实现了不同热量分布的热沉积；采用多点测量手段，实现大范围、低影响地检测被测点温度。

Description

一种多功能热工加热平台

技术领域

本发明涉及真空或高压工况实验测量的技术领域，尤其涉及一种多功能热工加热平台。

背景技术

目前用于热工实验平台功能单一，主要针对换热特性测量和流动阻力测量。目前的测定平台测试范围有限，很难实现真空或高压工况的实验测量，无法满足不同加热功率特别是高热负荷和低热负荷等多种功能需求，且不能完成实验对不同热量分布的要求。基于强流加速器的大科学装置中，被轰击靶体、慢化器等核心受热部件存在高热流密度和高功率情况，需要开展真空或高压条件下的低功率高热流密度的高精度测量实验，同时也对热流分布提出要求。因此有必要设计一种多功能热工实验平台，来满足不同实验设备的测试环境。

发明内容

本发明针对现有技术中的一个或多个问题，提出了一种多功能热工加热平台，旨在解决上述背景技术中提出的技术问题。

在本发明的一个方面中，提出的一种多功能热工加热平台，其包括加热系统、测量系统、泵功系统、流量测量系统和水箱恒温系统；

加热系统分别与流量测量系统和水箱恒温系统相通连接；

泵功系统分别与流量测量系统和水箱恒温系统相通连接；

测量系统设置在加热系统的外侧。

进一步的，加热系统包括实验腔、实验件和加热器；

实验件设置在实验腔的内部，且实验件分别与流量测量系统和水箱恒温系统相通连接；

实验腔上设置有调压管道；

测量系统设置在实验腔的外侧。

进一步的，加热器是电加热器，电加热器设置在实验腔的内部，并安装在实验件的表面上。

进一步的，电加热器包括加热体、MCU控制器和多组电加热棒，MCU控制器用于控制加热棒功率以调整热沉分布。

进一步的，加热器是激光加热器，激光加热器设置在实验腔的外侧，激光通过透镜进入实验腔。

进一步的，加热器是火焰加热器，火焰加热器主体设置在实验腔的外侧，火焰喷口位于实验腔内部。

进一步的，测量系统包括多点红外测温系统和可视化拍摄系统；

多点红外测温系统用于对实验件高功率加热时温度的测量；

可视化拍摄系统用于对实验件的高速、高倍图像的捕捉，并追踪试验件状态变化。

进一步的，流量测量系统一端通过管道与加热系统相通连接，另一端通过管道与泵功系统相通连接；

流量测量系统包括设置在管道上的多个流量计和阀门；

多个流量计通过多个管道并联相通连接的；

阀门用于切换并联管道上的流量计以实现量程互补。

进一步的，泵功系统包括双向推拉型注射泵和多个离心泵，用于控制不同流量调控的精度。

进一步的，水箱恒温系统包括容器槽、氮气加压泵和板式换热器；

容器槽通过管道分别与氮气加压泵和板式换热器相通连接；

容器槽内设置有加热棒、温度变迭器和流量变迭器；

容器槽上设置有进水口、管道入口和管道出口；

容器槽底部相通连接有排液管。

本发明的有益效果是：

1、本发明热工加热平台可以满足不同工作压力的测量需求；

2、本发明的加热系统实现了试验件加热密度从瓦级至兆瓦级的稳定加热功率的热工实验要求，提供了不同环境压力的测量条件，也实现了不同热量分布的热沉积；

3、采用多点测量手段，实现大范围、低影响地检测被测点温度；

4、能够监测高速、高倍流体图像的捕捉，追踪实验对象的状态；

5、采用双向推拉型注射泵和不同扬程的变频离心泵，满足不同流量调控精度的需要。

附图说明

为了更好的理解本发明，将根据以下附图对本发明的实施例进行描述：

图1是本发明整体流程示意图；

图2是加热系统的流程示意图；

图3是流量测量系统的流程示意图；

图4是泵功系统的流程示意图；

图5是水箱恒温系统的流程示意图；

图6是电加热器的结构示意图；

其中，图中各附图标记：

1-加热系统；11-实验腔；12-实验件；13-电加热器；131-加热体；132-MCU控制器；133-电加热棒；14-激光加热器；15-火焰加热器；151-火焰喷口；16-调压管道；

2-测量系统；21-多点红外测温系统；22-可视化拍摄系统；

3-流量测量系统；31-流量计；32-阀门；

4-泵功系统；41-双向推拉型注射泵；42-离心泵；

5-水箱恒温系统；51-容器槽；52-氮气加压泵；53-压力表；54-板式换热器； 55-加热棒；56-温度变迭器；57-流量变迭器；58-管道入口；59-管道出口；60-进水阀门；61-排液管。

具体实施方式

下面将详细描述本发明的具体实施例，应当注意，这里描述的实施例只用于举例说明，并不用于限制本发明。在以下描述中，为了提供对本发明的透彻理解，阐述了大量特定细节。然而，对于本领域普通技术人员显而易见的是：不必采用这些特定细节来实行本发明。在其他实例中，为了避免混淆本发明，未具体描述公知的电路、材料或方法。

在整个说明书中，对“一个实施例”、“实施例”、“一个示例”或“示例”的提及意味着：结合该实施例或示例描述的特定特征、结构或特性被包含在本发明至少一个实施例中。因此，在整个说明书的各个地方出现的短语“在一个实施例中”、“在实施例中”、“一个示例”或“示例”不一定都指同一实施例或示例。此外，可以以任何适当的组合和/或子组合将特定的特征、结构或特性组合在一个或多个实施例或示例中。此外，本领域普通技术人员应当理解，在此提供的附图都是为了说明的目的，并且附图不一定是按比例绘制的。应当理解，当称元件“耦接到”或“连接到”另一元件时，它可以是直接耦接或耦接到另一元件或者可以存在中间元件。相反，当称元件“直接耦接到”或“直接连接到”另一元件时，不存在中间元件。相同的附图标记指示相同的元件。这里使用的术语“和/或”包括一个或多个相关列出的项目的任何和所有组合。

如图1所示，本发明实施例的一种多功能热工加热平台，其包括加热系统1、测量系统2、流量测量系统3、泵功系统4和水箱恒温系统5；加热系统1一端通过管道与流量测量系统3相通连接，另一端通过管道与水箱恒温系统5相通连接；泵功系统4一端通过管道与流量测量系统3，另一端通过管道与水箱恒温系统5相通连接；测量系统2设置在加热系统1的外侧。

接着进一步参考图2，加热系统1包括实验腔11、加热器和实验件12，该实验件12可拆卸式安装在实验腔11的内部，且该实验件12一端通过管道与流量测量系统3相通连接，另一端通过管道与水箱恒温系统5相通连接，用于冷却实验件12；同时，实验腔11上通过调压管道16相通连接有真空泵和增压泵，满足实验腔11内的真空环境或高气压环境。

本实施例过程中，加热器是电加热器13或激光加热器14或火焰加热器15的一种，根据不同的加热功率、热沉分布，选用不同的加热器。主要是针对不同的实验压力环境在实验腔11中设置相应的气压环境或真空环境，对于高压环境或真空环境有要求的实验，则选择激光加热器14或电加热器13。其中，激光加热器14是设置在实验腔11的外侧，激光通过透镜进入实验腔11，能减少激光加热器14在真空环境内对实验件12的加热时间，还能提升激光加热器14的机械性能，降低激光加热器14的故障；而对热源分布有要求的，则选择电加热器13，电加热器13是设置在实验腔11的内部，并安装在实验件12的表面上，同时如图6所示，电加热器13包括加热体131、MCU控制器132和多组电加热棒133，通过MCU控制器132控制不同加热棒133的加热功率，进而调整所需的热沉分布；最后，对于高功率加热的，则选择火焰加热器15，但是火焰加热器15是不能在真空环境下运行的，只能设置在实验腔11的外侧，火焰喷口151位于实验腔11内部，以提供实验兆瓦级的加热功率。

然后，实验腔11的外侧还设置有测量系统2，其设置在实验腔11的外侧是为了避免高压环境或真空环境带来的损害，也避免了电加热器13或激光加热器14或火焰加热器15加热时产生的超高温环境对测量系统2的损害，相比现有技术中的测量系统设置在实验腔内，这种测量的精准度低、捕捉程度不灵敏、机械性能差、故障率高、使用寿命短等，因此，本实施例过程中的测量系统2是设置在实验腔11的外侧。该测量系统2包括多点红外测温系统21和可视化拍摄系统22；多点红外测温系统21用于对实验兆瓦级加热功率的实验件12温度测量；可视化拍摄系统22由高速摄像机、计算机、体视显微镜及其配件、以及三维坐标架组成，用于对实验件12的高速、高倍图像的捕捉，并追踪试验件状态变化。测量系统2设置在实验腔11的外侧，实现测量的精准度高、高速高倍图像的捕捉程度灵敏、机械性能强、故障率低、使用寿命长等优点。

进一步参考图3，流量测量系统3一端通过管道与实验腔11内的实验件相通连接，另一端通过管道与泵功系统4相通连接，该流量测量系统3包括设置在管道上的多个流量计31和阀门32，流量计31之间是通过多个管道并联相通连接的，而阀门32用于切换并联管道上的流量计31以实现量程互补，这样经过阀门32和并联管道回路的配合，可以精准调节实验件12的流量入口，还可以根据流量的实际大小选择不同范围量程的流量计31，对于小管径的管道流量可使用低量程流量计，对于大管径的管道流量可使用高量程流量计。

进一步参考图4，泵功系统4包括双向推拉型注射泵41和多个离心泵42，该双向推拉型注射泵41和离心泵42通过管道并联相通连接，且并联的一端通过管道与流量测量系统3的流量计31相通连接，并联的另一端通过管道与水箱恒温系统5相通连接，用于控制不同流量调控的精度。

进一步参考图5，水箱恒温系统5包括氮气加压泵52、板式换热器54和容器槽 51，该容器槽51上设置有进水口、管道入口58和管道出口59，管道入口58通过管道与泵功系统4相通连接，管道出口59通过管道与实验腔11内的实验件12相通连接；同时，容器槽51通过管道分别与氮气加压泵52和板式换热器54相通连接，氮气加压泵52具有调节管道内运行压力的功能，容器槽51和氮气加压泵52之间的管道上还设置有压力表53；以及，容器槽51上的进水口外接有进水阀门60；接着，容器槽51内设置有加热棒55、温度变迭器56和流量变迭器57；另外，容器槽51 底部相通连接有排液管61，排液管61上设置有排水阀。通过压力表53反馈容器槽 51中的压力，氮气加压泵52使容器槽51达到实验所需的操作压力，通过温度变迭器56反馈容器槽中温度，板式换热器54和加热棒55一起配合调控容器槽51以使达到实验所需的温度。当水位不足时，打开进水阀门60补水，保证实验腔11的安全与稳定。而设置的排水阀可使得容器槽51更换不同的冷却介质，进而进行下一步的不同工质实验。

本发明实施例在实验开始前，首先根据实验需求选定适用的加热系统1、泵功系统4、流量测量系统3和水箱恒温系统5，之后在水箱恒温系统5设置需要的管道压力条件及其温度，打开泵功系统4调节冷却介质流量，以至于预期流量的冷却介质在本发明实施例中热工加热平台的回路循环，然后打开加热系统1，开始实验，由于实验过程热量沉积会导致整体热工加热平台冷却介质的温度上升，因此设置的水箱恒温系统5主要功能稳定热工加热平台的冷却介质温度，保证实验腔11内实验件12 进口的冷却介质温度恒定。

本发明实施例中热工加热平台的实验件包括但不限于设备、工具、仪器等硬件。

本发明实施例中热工加热平台的冷却介质包括但不限于液体冷却介质、气体冷却介质等。

本发明实施例中电加热器的加热功率为0～100kw。

本发明实施例中激光加热器的加热功率为0～15kw。

本发明实施例中火焰加热器的加热功率为50～1000kw。

本发明的有益效果是：

1、本发明热工加热平台可以满足不同工作压力的测量需求；

上述实施例仅为本发明的具体实施例，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些显而易见的替换形式均属于本发明的保护范围。

Claims

1.一种多功能热工加热平台，其特征在于：所述的热工加热平台包括加热系统、测量系统、泵功系统、流量测量系统和水箱恒温系统；

所述的加热系统分别与流量测量系统和水箱恒温系统相通连接；

所述的泵功系统分别与流量测量系统和水箱恒温系统相通连接；

所述的测量系统设置在加热系统的外侧。

2.根据权利要求1所述的一种多功能热工加热平台，其特征在于：所述的加热系统包括实验腔、实验件和加热器；

所述的实验件设置在实验腔的内部，且所述实验件分别与流量测量系统和水箱恒温系统相通连接；

所述的实验腔上设置有调压管道；

所述的测量系统设置在实验腔的外侧。

3.根据权利要求2所述的一种多功能热工加热平台，其特征在于：所述的加热器是电加热器，所述电加热器设置在实验腔的内部，并安装在实验件的表面上。

4.根据权利要求3所述的一种多功能热工加热平台，其特征在于：所述的电加热器包括加热体、MCU控制器和多组电加热棒，所述MCU控制器用于控制加热棒功率以调整热沉分布。

5.根据权利要求2所述的一种多功能热工加热平台，其特征在于：所述的加热器是激光加热器，所述激光加热器设置在实验腔的外侧，激光通过透镜进入实验腔。

6.根据权利要求2所述的一种多功能热工加热平台，其特征在于：所述的加热器是火焰加热器，所述火焰加热器设置在实验腔的外侧，火焰喷口位于实验腔内部。

7.根据权利要求1所述的一种多功能热工加热平台，其特征在于：所述的测量系统包括多点红外测温系统和可视化拍摄系统；

所述的多点红外测温系统用于对实验件高功率加热时温度的测量；

所述的可视化拍摄系统用于对实验件的高速、高倍图像的捕捉，并追踪试验件状态变化。

8.根据权利要求1所述的一种多功能热工加热平台，其特征在于：所述的流量测量系统一端通过管道与加热系统相通连接，另一端通过管道与泵功系统相通连接；

所述的流量测量系统包括设置在管道上的多个流量计和阀门；

所述多个流量计通过多个管道并联相通连接的；

所述阀门用于切换并联管道上的流量计以实现量程互补。

9.根据权利要求1所述的一种多功能热工加热平台，其特征在于：所述的泵功系统包括双向推拉型注射泵和多个离心泵，用于控制不同流量调控的精度。

10.根据权利要求1所述的一种多功能热工加热平台，其特征在于：所述的水箱恒温系统包括容器槽、氮气加压泵和板式换热器；

所述的容器槽通过管道分别与氮气加压泵和板式换热器相通连接；

所述的容器槽内设置有加热棒、温度变迭器和流量变迭器；

所述的容器槽上设置有进水口、管道入口和管道出口；

所述的容器槽底部相通连接有排液管。